基于TMS320F28023的AFCI电弧检测方案

1 背景简述 国家碳中和发展战略：2020年9月22日，习近平总书记在联合国大会一般性辩论上向全世界宣布，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。时隔一年后，在9月21日，习近平总书记在同样场合再次强调，“中国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，这需要付出艰苦努力，但我们会全力以赴”，充分表达了中国实现这一战略目标的决心。新中国成立75年来，能源事业加快发展，中国已成为世界上最大的能源生产国和消费国。经过长期发展，中国建立了煤、油、气、核、水、风、光等全面发展的能源供给体系，为经济社会持续快速发展提供澎湃动力。当前，中国开启全面建设社会主义现代化国家新征程，对能源高质量发展提出新要求。中国是世界上最大的发展中国家，但人均用能水平不高，工业化、城镇化尚未完成，未来一段时间能源需求仍将增长；产业结构偏重、能源结构偏煤，资源环境约束长期存在。应对这些困难挑战，根本要靠能源转型。中国的能源转型，注重加快转变能源发展方式、转换能源发展动力，推动主体能源从化石能源向非化石能源更替，这是破解资源环境约束、实现碳达峰碳中和目标的迫切需要；是抢抓新一轮科技和产业变革机遇，加快培育新质生产力的迫切需要；是推动形成绿色生产方式和生活方式，实现经济社会高质量发展的迫切需要；是主动担当大国责任、推动构建人类命运共同体的迫切需要。中国推进能源转型，不是别人让我们做，而是我们自己要做；也不是能不能做，而是必须做。希望中国能够早日实现电力过剩，用电免费的美好愿景。2 光伏发电系统介绍 太阳能是无穷无尽，且可再生的资源。光伏发电就是将太阳能转化为电能的一种发电方式。它是通过半导体的光伏效应，直接将光子转化为电子。由于减少了中间的过程，它的发电过程极为简洁且不产生其他有害物质，可以做到完全的绿色发电。2.1 太阳能发电的工作原理 太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，电子移向N区，空穴移向P区。就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。PN节是由P型半导体材料和N型半导体材料连接而成。如下图所示。N型半导体：在4价本征硅晶体中，掺入5价元素如磷、砷或者锑等。多余电子极容易脱离原子形成自由电阻，同时使原子本身成为不能移动的正离子。这样在杂质半导体中产生大量与杂质成分成比例的自由电子，导致材料中自由电子数量大大超过空穴而成为主要的载流子（又称多子）， 形成n型半导体。P型半导体：则是掺入3价元素如硼、铝、镓或者铟等。这些元素的原子的3个价电子与周围的硅原子只能形成3个共价键，而缺少的一个共价键很容易捕捉电子而形成负离子，结果在晶体中产生大量空穴，使材料中的空穴数量大大超过自由电子从而成为主要载流子 （多子）， 形成p型半导体。综上所述，太阳能电池示意图如下所示。2.2 光伏并网发电系统简述 光伏并网发电系统，是由光伏阵列组件+逆变器构成，发电能量直接传输给电网。光伏阵列是由单个or多个组件串并联构成（具体依据所需容量来确定）。光伏系统追求最大的发电功率输出，系统结构对发电功率有着直接的影响。逆变器的作用就是将光伏阵列产生的直流电转化为交流电，进而将能量馈入电网。根据光伏阵列的不同分布以及功率等级，可以把光伏并网系统体系结构分为6种：集中式、交流 模块式、串型、多支路、主从和直流模块式。1、集中式就是将所有的光伏组件通过串并联构成光伏阵列，并产生一个足够高的直流电压，然后通过一个并网逆变器集中将直流转换为交流并把能量输入电网。2、交流模块式结构是指把并网逆变器和光伏组件集成在一起作为一个光伏发电系统。3、串型结构是指光伏组件通过串联构成光伏阵列给光伏并网发电系统提供能量的系统结构，集中式和交流模块式两种结构的优点，一般串联光伏阵列输出电压在150～450V， 甚至更高，功率等级可以达到几个千瓦左右。4、多支路结构是由多个DC/DC变换器、一个DC/AC逆变器构成。该结构提高了光伏并网发电系统的功率，降低了系统单位功率的成本，提高了系统的灵活性，已成为光伏并网系统结构的主要发展趋势。5、主从结构是一种新型的光伏并网发电系统体系结构，也是光伏并网系统结构发展的趋势。它通过控制组协同开关，来动态地决定在不同的外部环境下光伏并网系统的结构，以期达到最佳的光伏能量利用效率。6、光伏直流建筑模块是将光伏组件、高增益DC/DC变换器和表面建筑材料通过合理的设计集成为一体，构成具有光伏发电功能的、独立的、即插即用的表面建筑元件。2017年，比亚迪的王传福在央视《开讲了》节目里曾经说过，如果中国1%的沙漠地区覆盖了太阳能光伏板，可以解决全国13亿人的用电问题。因光伏受到温度，天气等影响较大。但因沙漠地区地广人稀，且太阳能资源富集等优点，近些年来受到青睐。不仅获得清洁能源，还对治沙防沙做出了相应的贡献，一举多得的好处。中国最大光伏发电站，青海省海南州太阳能生态发电园区。609平方公里，面积接近一个新加坡。2.3 AFCI功能 AFCI-电弧故障分断器。它的作用是，在检测到危险电弧的时候，将设备进行分断，防止电弧持续存在，进而发展成火灾或人身安全等严重问题。AFCI是UL最先纳入的标准要求，逆变器也是如此，如果做北美市场的产品，则必须具备这个功能。近年来，各国也逐渐慢慢也在拟草相关文件。随着光伏逆变器发展的日益壮大，每天的装机量都在增长，系统安全也成为了特别重要的一点。光伏逆变器发生的火灾，大多数情况下还是因为直流拉弧引起的。在光伏的系统中，接线松动，接触不良，绝缘材料腐蚀老化等都会产生电弧。电弧会产生高温发热，引燃周围材料等。AFCI模块则是在光伏阵列和光伏逆变器之间，一旦检测到存在电弧的情况，可以极快的识别出来并进行切断PV与电网之间的连线，减少损失。串式逆变器一般均会集成在逆变器的内部，放在直流端口处如下图所示。带汇流箱的集中式逆变器则多数放在汇流箱内部。AFCI模块的产品规格一般要求：1.具备有效的直流电弧识别能力，允许最大直流电流可达60A；2.具备友好的接口，可遥接控制断路器或连接器等；3.具备RS232转485通信功能，可实时监控模块状态；4.LED、蜂鸣器可作为快速识别模块工作状态，声光报警；5.功能模块化，易于移植到各个系列产品中；2.4 PID功能 PID又叫电势诱导衰减，是指光伏组件在长期受到一定的外电压作用下，其功率输出逐渐衰减的现象。PID现象的原理复杂，但主要可以归结为几个方面：一是在高电压环境下，光伏组件的封装材料可能无法完全绝缘，导致漏电流产生，进而引发电池内部的分流现象(PID-s，shunt分流)，降低了电池的并联电阻；二是组件边缘的水汽和醋酸等化学物质，在电场作用下，可能引发电离腐蚀和金属离子的迁移，导致电池栅线受到腐蚀，组件性能下降;三是长期高电压工作状态下，大量电荷聚集在电池片表面，恶化了电池片的钝化效果(PID-p，polarization极化)，从而降低填充因子、短路电流和开路电压。这种衰减主要是由于组件中的半导体材料在电场和湿热环境的共同作用下发生性能退化。然而PDI的现象严重影响光伏系统的效率以及寿命。 PDI的工作原理，PID模块通过在隔离变压器的N（系统可为三相三线制，N点由PID模块的三相对称电感得到）和PE间注入直流电压，从而提高电池板PV-对地电压，达到减小PID衰减的目的。在华为组串式逆变器SUN2000组成的子阵（例如1MW、1.25MW、1.6MW）中，模块安装于华为室外通讯柜中，可通过RS485与华为数据采集器通讯，数据采集器读取所有逆变器的PV-对地电压，再下发控制命令给PID模块，使PID模块调整输出电压，即N线对PE电压，直到数据采集器读取的所有逆变器的PV-对地电压均大于零。系统示意图如下：2.5 RSD模块 此设备的主要特点是能够在电网发生故障或人为切断等情况下，自动断开每个光伏组串的连接，从而减少组串的电压，保证系统中无高压电，降低触电风险，提高其安全性和实用性。快速关断装置关断方式有主动和被动二种方式：1、被动方式：当电网掉电发生孤岛保护后，电源箱停电，关断箱继电器停止工作断开，每个光伏组串与逆变器设备之间也断开，避免设备继续带电。2、主动方式，当电网发生紧急故障或人员触电时，可手动按下控制电源箱紧急控制开关，切断关断箱的电源，隔断系统的电气连接，避免故障进一步扩大升级，并上传快速关断箱状态信息给逆变器设备。快速关断系统的最大特点在于：快速断开设备与电网以及组件的电气连接，使电气系统在故障时快速断开，保护组件和设备安全，隔断设备安全隐患。最大程度上降低了电气与人接触的可能性，大大增加系统安全性，特别适合在分布式户用系统中使用。RSD智能光伏面板关断装置可独立将光伏屋顶系统切换至安全状态。在安装、维护或危险情况下防止致命电击，保护人身安全。屋顶光伏系统可产生高达1000V的直流高压，系统直流输入侧无法轻易断开。若系统损坏后，光伏现场内的工作人员则面临很高的安全风险。光伏面板关断装置分析系统直流输入侧的电流和电压情况。工作状态异常或逆变器停机都可导致光伏面板的自动关断。一旦环境恢复安全，系统自动重启。2.6 DRM功能 DRED，Demand Response Enabling Device。用电往往有高峰期和低谷期，电量不平衡，特别是高峰期电网用电设备的使用负荷加大，为保障电网的稳定运行，需要对用电设备进行合理调峰降低功率，保障电网安全。为此，各个国家出台相应的调峰措施来解决该问题，其中澳洲出台了DRED指令，电网采用该控制系统发送信号给用电设备，用电设备通过检测接收特定装置（以下称DRED装置）信号状態，采取不同的控制策略调整本身的功率消耗，从而达到降低电网负荷，节能省电的目的。DRM，DEMAND RESPONSE MODES。澳洲的DRM共有9种不同的模式，如下图所示。其中DRM0是强制要求，其余按需求配备。在配备光伏逆变器的设备，DRM功能要单独进行相关测试。其中连接DRM的方式有两种，一种为接线板，另外为RJ45插座。不论那种方式都需要满足以下条件，澳洲DRED设备辅助测试电路。其简化为如下图所示。其中调节各个开关，所对应的模式说明，如下图所示。除此之外，DRM功能还要满足如下要求：A）逆变器注入的电流不得超过30mA(直流或交流)(I)使用接线板的端子“DRM 1/5”“DRM 2/6”、“DRM 3/7”或“DRM4/8”;或(II)使用RJ45插座的针脚1、2、3或4。B）当标称短路时，逆变器应允许DRED和相关接线上的压降高达1.6V。C）逆变器向接线端子或RJ45插座的任何端子提供的电压不得超过34.5V(直流或交流)D)如果检测到插脚5和6之间的阻抗高于20k2，则逆变器应能对DRM 0进行故障保护。。。。来源：电力电子技术与新能源